空气热机
课时:3学时
教材:见补充讲义
简介:热机是将热能转换为机械能的机器。历史上对热机循环过程及热机效率的研究,曾为热力学第2定律的确立起了奠基性的作用。斯特林1816年发明的空气热机,以空气作为工作介质,是最古老的热机之一。虽然现在已发展了内燃机,燃气轮机等新型热机,但空气热机结构简单,便于帮助理解热机原理与卡诺循环等热力学中的重要内容,是很好的热学实验教学仪器。
实验重点:1、作图法处理数据;2、P-V图的计算。
难点:1、卡诺循环原理;2、热机循环过程;3、热机构造。
教学目的:
1、理解热机原理及循环过程;
2、测量不同冷热端温度时的热功转换值,验证卡诺定理;
3、测量热机输出功率随负载及转速的变化关系,计算热机实际效率。
教学方法:以演示、讲述为主,采用提问式、启发式教学,结合巡回辅导。
实验要求:1.课前预习,完成预习报告;
2.课堂独立完成实验内容,记录并处理数据;
3.课后根据数据完成实验报告,并提出改进建议。
实验仪器:空气热机实验仪、空气热机测试仪、电加热器电源、双踪示波器。
实验原理:
空气热机的结构及工作原理可用图1说明。热机主机由高温区,低温区,工作活塞及汽缸,位移活塞及汽缸,飞轮,连杆,热源等部分组成。
热机中部为飞轮与连杆机构,工作活塞与位移活塞通过连杆与飞轮连接。飞轮的下方为工作活塞与工作汽缸,飞轮的右方为位移活塞与位移汽缸,工作汽缸与位移汽缸之间用通气管连接。位移汽缸的右边是高温区,可用电热方式或酒精灯加热,位移汽缸左边有散热片,构成低温区。
工作活塞使汽缸内气体封闭,并在气体的推动下对外做功。位移活塞是非封闭的占位活塞,其作用是在循环过程中使气体在高温区与低温区间不断交换,气体可通过位移活塞与位移汽缸间的间隙流动。工作活塞与位移活塞的运动是不同步的,当某一活塞处于位置极值时,它本身的速度最小,而另一个活塞的速度最大。
图1空气热机工作原理
当工作活塞处于最底端时,位移活塞迅速左移,使汽缸内气体向高温区流动,如图1a所示;进入高温区的气体温度升高,使汽缸内压强增大并推动工作活塞向上运动,如图1b所示,在此过程中热能转换为飞轮转动的机械能;工作活塞在最顶端时,位移活塞迅速右移,使汽缸内气体向低温区流动,如图1c所示;进入低温区的气体温度降低,使汽缸内压强减小,同时工作活塞在飞轮惯性力的作用下向下运动,完成循环,如图1d所示。在一次循环过程中气体对外所作净功等于图所围的面积。
根据卡诺对热机效率的研究而得出的卡诺定理, 对于循环过程可逆的理想热机,热功转换效率:
式中为每一循环中热机做的功,为热机每一循环从热源吸收的热量,为热机每一循环向冷源放出的热量,为热源的绝对温度,为冷源的绝对温度。
实际的热机都不可能是理想热机,由热力学第2定律可以证明,循环过程不可逆的实际热机,其效率不可能高于理想热机,此时热机效率:
卡诺定理指出了提高热机效率的途径,就过程而言,应当使实际的不可逆机尽量接近可逆机。就温度而言,应尽量的提高冷热源的温度差。
热机每一循环从热源吸收的热量正比于,为热机转速,正比于。、、及均可测量,测量不同冷热端温度时的,观察它与的关系,可验证卡诺定理。
当热机带负载时,热机向负载输出的功率可由力矩计测量计算而得,且热机实际输出功率的大小随负载的变化而变化。在这种情况下,可测量计算出不同负载大小时的热机实际效率。
仪器介绍:
仪器主要包括空气热机实验仪、电加热器电源和空气热机测试仪三部分。
Ⅰ.电加热型热机实验仪
空气热机实验仪如图2所示,飞轮下部装有双光电门,上边的一个用以定位工作活塞的最低位置,下边一个用以测量飞轮转动角度。热机测试仪以光电门信号为采样触发信号。
汽缸的体积随工作活塞的位移而变化,而工作活塞的位移与飞轮的位置有对应关系,在飞轮边缘均匀排列45个挡光片,采用光电门信号上下沿均触发方式,飞轮每转4度给出一个触发信号,由光电门信号可确定飞轮位置,进而计算汽缸体积。
压力传感器通过管道在工作汽缸底部与汽缸连通,测量汽缸内的压力。在高温和低温区都装有温度传感器,测量高低温区的温度。底座上的三个插座分别输出转速/转角信号、压力信号和高低端温度信号,使用专门的线和实验测试仪相连,传送实时的测量信号。电加热器上的输入电压接线柱分别使用黄、黑两种线连接到电加热器电源的电压输出正负极上。
热机实验仪采集光电门信号,压力信号和温度信号,经微处理器处理后,在仪器显示窗口显示热机转速和高低温区的温度。在仪器前面板上提供压力和体积的模拟信号,供连接示波器显示图。
加热器电源为加热电阻提供能量,输出电压从24V~36V连续可调,可以根据实验的实际需要调节加热电压。
力矩计悬挂在飞轮轴上,调节螺钉可调节力矩计与轮轴之间的摩擦力,由力矩计可读出摩擦力矩,并进而算出摩擦力和热机克服摩擦力所做的功。经简单推导可得热机输出功率,式中为热机每秒的转速,即输出功率为单位时间内的角位移与力矩的乘积。
Ⅱ.电加热器电源
①.加热器电源前面板简介(见图3)
1-电流输出指示灯:当显示表显示电流输出时,该指示灯亮;
2-电压输出指示灯:当显示表显示电压输出时,该指示灯亮;
3-电流电压输出显示表:可以按切换方式显示加热器的电流或电压;
4-电压输出旋钮:可以根据加热需要调节电源的输出电压,调节范围为“24V~36V”,共分做11档;
5-电压输出“-”接线柱:加热器的加热电压的负端接口;
6-电压输出“+”接线柱:加热器的加热电压的正端接口;
7-电流电压切换按键:按下显示表显示电流,弹出显示表显示电压;
8-电源开关按键:打开和关闭仪器。
Ⅲ.空气热机测试仪
①.测试仪前面板简介(见图4)
1-指示灯:该灯亮表示当前的显示数值为热源端绝对温度;
2-指示灯:该灯亮表示当前显示数值为热源端和冷源端绝对温度差;
3-转速显示:显示热机的实时转速,单位为“转/每秒()”;
4-显示:可以根据需要显示热源端绝对温度或冷热两端绝对温度差,单位“开尔文()”;
5-显示:显示冷源端的绝对温度值,单位“开尔文()”;
6-显示切换按键:按键通常为弹出状态,表示4中显示的数值为热源端绝对温度,同时指示灯亮。当按键按下后显示为冷热端绝对温度差,同时指示灯亮;
7-示波器压力接口:通过Q9线和示波器通道连接,可以观测压力信号波形;
8-示波器体积接口:通过Q9线和示波器通道连接,可以观测体积信号波形;
9-压力信号输入口(四芯):用四芯连接线和热机相应的接口相连,输入压力信号;
10-输入口(五芯):用五芯连接线和热机相应的接口相连,输入温度信号;
11-转速/转角信号输入口(六芯):用六芯连接线和热机相应的接口相连,输入转速/转角信号;
Ⅳ各部分仪器的连接方法
将各部分仪器安装摆放好后,根据实验仪上的标识使用配套的连接线将各部分仪器装置连接起来。其连接方法为:
用适当的连接线将测试仪的“压力信号输入”、“输入”和“转速/转角信号输入”三个接口与热机底座上对应的三个接口连接起来;
用一根Q9线将主机测试仪的压力信号和双踪示波器的通道连接,再用另一根Q9线将主机测试仪的体积信号和双踪示波器的通道连接;
用两芯的连接线将主机测试仪后面板上的“转速限制接口”和电加热器电源后面板上的“转速限制接口”连接起来;用鱼叉线将电加热器电源的输出接线柱和电加热器的“输入电压接线柱”连接起来,黑色线对黑色接线柱,黄色线对红色接线柱,而在电加热器上的两个接线柱不需要区分颜色,可以任意连接。
实验步骤:
一、观察热机循环过程
用手顺时针拨动飞轮,结合图1仔细观察热机循环过程中工作活塞与位移活塞的运动情况,切实理解空气热机的工作原理。
二、验证卡诺定理
1.根据测试仪面板上的标识和仪器介绍中的说明,将各部分仪器连接起来,开始实验。取下力矩计,将加热电压加到第11档(36伏左右)。等待约6~10分钟,加热电阻丝已发红后,用手顺时针拨动飞轮,热机即可运转(若运转不起来,可看看热机测试仪显示的温度,冷热端温度差在100度以上时易于起动)。
2.减小加热电压至第1档(24伏左右),调节示波器,观察压力和容积信号,以及压力和容积信号之间的相位关系等,并把图调节到最适合观察的位置。等待约10分钟,温度和转速平衡后,记录当前加热电压,并从热机测试仪上读取温度和转速,从双踪示波器显示的图估算图面积,记入表1中。
3.逐步加大加热功率,等待约10分钟,温度和转速平衡后,重复以上测量4次以上,将数据记入表1。
4.以为横坐标,为纵坐标,在坐标纸上作与的关系图,验证卡诺定理。
三、计算热机实际效率
1.在最大加热功率下,用手轻触飞轮让热机停止运转,然后将力矩计装在飞轮轴上,拨动飞轮,让热机继续运转。
2.调节力矩计的摩擦力(不要停机),待输出力矩,转速,温度稳定后,读取并纪录各项参数于表2中。
3.保持输入功率不变,逐步增大输出力矩,重复以上测量5次以上。
4.以为横坐标,为纵坐标,在坐标纸上作与的关系图,表示同一输入功率下,输出偶合不同时输出功率或效率随偶合的变化关系。
注意:示波器图面积的估算方法如下。将通道的调幅旋钮旋到“0.1V”档,将通道的调幅旋钮旋到“0.2V”档,然后将两个通道都打到交流档位,并在“”档观测图,再调节左右和上下移动旋钮,可以观测到比较理想的图。再根据示波器上的刻度,在坐标纸上描绘出图,如图7所示。以图中椭圆所围部分每个小格为单位,采用割补法、近似法(如近似三角形、近似梯形、近似平行四边形等)等方法估算出每小格的面积,再将所有小格的面积加起来,得到图的近似面积,单位为“”。根据容积,压强与输出电压的关系,可以换算为焦耳。
容积(X通道):
压力(Y通道):
则:
图中图所围为11小格,每小格,故每次循环做功为。
实验数据:
表1测量不同冷热端温度时的热功转换值
根据实验数据,在坐标纸上作与的关系图并得出实验结论:
表2测量热机输出功率随负载及转速的变化关系
输入功率
热端温度 |
温度差 |
输出力矩 |
热机转速 |
输出功率
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输出效率
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在坐标纸上作与的关系图,表示同一输入功率下,输出偶合不同时输出功率或效率随偶合的变化关系。
实验结论:
注意事项:
1.加热端在工作时温度很高,而且在停止加热后1小时内仍然会有很高温度,请小心操作,否则会被烫伤。
2.热机在没有运转状态下,严禁长时间大功率加热,若热机运转过程中因各种原因停止转动,必须用手拨动飞轮帮助其重新运转或立即关闭电源,否则,可能会导致炸裂。外界水喷到空气热机玻璃上,也可能导致炸裂。
3.热机汽缸等部位为玻璃制造,容易损坏,请谨慎操作。飞轮在运转时,应谨慎操作,避免被飞轮边沿割伤。
4.记录测量数据前须保证已基本达到热平衡,避免出现较大误差。等待热机稳定读数的时间一般在10分钟左右。在读力矩的时候,力矩计可能会摇摆。这时可以用手轻托力矩计底部,缓慢放手后可以稳定力矩计。如还有轻微摇摆,读取中间值。